专利名称：太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
近来，随着对能量需求的增长，已研制能够将太阳能转化为电能的太阳能电池。具体地，已广泛使用用作PN异质结装置的基于CIGS的太阳能电池。所述基于CIGS 的太阳能电池是具有包括玻璃衬底的衬底结构、金属后电极层、P型基于CIGS的光吸收层、 高电阻缓冲层以及N型窗口层。这种太阳能电池满足后电极层的粘附强度和电导率，从而呈现出提高的效率。
发明内容
技术问题本发明提供具有改善的特性的太阳能电池及其制造方法。技术方案根据本发明，一种太阳能电池包括衬底；后电极层，被设置在所述衬底上；光吸收层，被设置在所述后电极上；以及前电极层，被设置在所述光吸收层上。所述后电极层包括第一导电层，被设置在所述衬底上；第二导电层，被设置在所述第一导电层上并且具有与所述第一导电层的粒度不同的粒度；以及第三导电层，被设置在所述第二导电层上并且具有与所述第二导电层的粒度不同的粒度。根据本发明，一种太阳能电池包括衬底；后电极层，被设置在所述衬底上；光吸收层，被设置在所述后电极上；以及前电极层，被设置在所述光吸收层上。所述后电极层包括至少三个导电层。所述导电层中的两个相邻的导电层具有彼此不同的粒度。根据本发明，一种太阳能电池的制造方法包括在衬底上形成后电极层；在所述后电极层上形成光吸收层；以及在所述光吸收层上形成前电极层。形成所述后电极层的步骤包括利用第一功率在所述衬底上形成第一导电层；利用与所述第一功率不同的第二功率在所述第一导电层上形成第二导电层；以及利用与所述第二功率不同的第三功率在所述第二导电层上形成第三导电层。有益效果根据本发明的太阳能电池包括具有多个导电层的后电极。在此情形中，所述导电层可以具有彼此不同的粒度。因此，所述导电层可以具有不同的特性。因此，导电层可以互补较差的特性，并且改善后电极的整体特性。例如，具有较大粒度的导电层可以改善后电极层的电特性，并且具有较小粒度的导电层可以改善后电极层的机械特性。具体地，具有较小粒度的导电层可以填充到具有较大粒度的导电层的空隙中。为了实现这种后电极层，可以使用布置有接收不同功率的第一和第二阴极的溅射装置。换言之，通过包括接收不同功率的两个阴极的溅射装置，至少三个导电层可以构成后电极层。
第一阴极接收低功率，第二阴极接收高功率，从而使得彼此相邻的导电层具有不同的粒度。因此，可以同时满足后电极层的粘附性质和电导率。此外，由于可以在一个腔中顺序地形成导电层，可以通过所述太阳能电池制造方法高产量地制造根据本发明的具有改善的特性的太阳能电池。
图1是示意性地示出根据实施例的用于制造太阳能电池的后电极层的太阳能电池制造设备的视图；图2是示出根据实施例的太阳能电池的后电极层的剖视图；以及图3至图6是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的剖视图。
具体实施例方式在实施例的描述中，应该理解，当衬底、层、膜或电极被表述为在其它衬底、其它层、其它膜、或者其它电极“上”或“下”时，它可以“直接地”或“间接地”在所述其它衬底、层、 膜、电极之上，或者可以存在一个或多个中间层。此外，基于附图确定每层的“上”或“下”。 为了清楚解释的目的，可以简化或夸大附图中示出的层的厚度和大小。此外，可以相对于部件的真实大小，缩小或放大每个部件的大小。图1至图6是示出根据实施例的太阳能电池的制造方法的视图。具体地，图1是示出用于形成太阳能电池的后电极层的太阳能电池制造设备的视图。图2和图3是示出通过该太阳能电池制造设备形成的太阳能电池的后电极层的剖视图。参照图1至图3，后电极层110形成在衬底100上。衬底100可以包括玻璃、陶瓷、金属或聚合物。例如，玻璃衬底100可以包括钠钙玻璃或高应变点钠玻璃。衬底100可以是透明的。衬底100可以是刚性的或挠性的。后电极层110形成在衬底100上。后电极层110可以包括金属制成的导体。后电极层110包括金属以提高串联电阻并增加电导率。例如，后电极层110可以具有在约500nm 到约1500nm范围内的厚度，并且可以具有在约0. 15Ω/ □至约0. 25Ω/ □范围内的电阻。后电极层110可以包括钼(Mo)。后电极层110不限于Mo，而是可以包括掺杂有钠(Na)的Mo。这是因为Mo表现高电导率、与光吸收层之间的优异的欧姆接触特性以及在 Se(硒)气氛下的高温稳定性。构成后电极层110的Mo薄膜必须具有低电阻率，以便用作电极，并且必须具有与衬底100之间的优异粘附特性，从而不会发生由热膨胀系数差导致的脱层。如图2所示，后电极层110可以包括多层导电层。换言之，后电极层110可以具有导电层的堆叠结构。可以设置至少三层导电层。更详细地，导电层的数量可以在3至10的范围内。例如，后电极层110可以包括第一导电层111、第二导电层112、第三导电层113和第四导电层114。此外，尽管图2中未示出，但是可以在第四导电层114上额外地堆叠导电层。例如，可以在第四导电层114上额外地堆叠第五至第十导电层。第一导电层111被设置在衬底100上，并且第二导电层112被设置在第一导电层 111上。第三导电层113被设置在第二导电层112上。第四导电层114被设置在第三导电层113上。第一导电层111至第四导电层114包括相同的材料。更详细地，第一导电层111 至第四导电层114由相同的材料构成。例如，第一导电层111至第四导电层114可以包括上面已经描述过的Mo。第一导电层111至第四导电层114可以具有不同大小的颗粒。例如，第一导电层 111至第四导电层114中相邻导电层的颗粒可以具有不同的大小。由于相邻导电层是在不同的处理条件下形成的，因此相邻导电层的颗粒具有不同的大小。例如，由于相邻导电层是在不同的功率条件下形成的，因此相邻导电层的颗粒具有不同的大小。详细地，可以在不同功率条件下通过溅射过程形成相邻导电层。因此，相邻导电层的颗粒可以具有不同的大小。例如，尽管第一导电层111和第二导电层112可以包括相同的材料，但是第一导电层111和第二导电层112具有不同的粒度。第一导电层111的粒度可以较小。并且，第二导电层112的粒度可以较大。在此情形中，第一导电层111和第二导电层112的粒度的比率可以约为1 1.25至1 2。因此，第一导电层111具有密度较高的致密膜结构，并且可以具有高机械特性。相反，尽管第二导电层112是密度较低的膜，但是第二导电层112可以具有高电导率。类似地，第三导电层113具有与第二导电层112不同的粒度。换言之，第三导电层 113的粒度可以小于第二导电层112的粒度。此外，第四导电层114具有与第三导电层113不同的粒度。换言之，第四导电层 114的粒度可以大于第三导电层113的粒度。由于相邻导电层具有彼此不同的粒度，因此，相邻导电层可以具有彼此不同的电和机械性质。例如，相邻导电层可以具有不同的电导率和机械强度。在后电极层110中，粒度较小的导电层111和113与粒度较大的导电层112和114 被交替地堆叠在彼此上。例如，第一导电层111的粒度可以与第三导电层113的粒度相对应。此外，第二导电层112的粒度可以与第四导电层114的粒度相对应。因此，后电极层110可以具有这样一种结构，即具有较高密度的导电层111和113 交替地堆叠在具有较高电导率的导电层112和114上。换言之，后电极层110可以包括至少三层导电层111至114。此外，粒度较小的导电层111和113形成为高密度，由此提高衬底100和与导电层 111和113相邻的导电层112及114之间的粘附强度。由于粒度较大的导电层112和114 具有较低的表面电阻，因此可以提高后电极层110的电导率。可以通过溅射过程利用Mo靶形成导电层111至114。更详细地，可以在处理腔中通过一次溅射处理形成导电层111至114。如图1所示，根据实施例的太阳能电池制造设备可以包括用于容纳衬底100的装载腔10，用于在衬底100上沉积薄膜的处理腔20，以及用于卸下衬底100的卸载腔30。在处理腔20中，用于形成层的材料可以用作阴极25，而衬底100可以用作阳极。阴极25包括彼此排成行的至少两个阴极Cl、C2...以及C(2n)，并且阴极Cl、 C2...以及C(2n)可以接收不同功率。例如，阴极25包括接收较低功率的阴极Cl...以及 C(2n-1)，以及接收高功率的阴极C2...以及C(2n)。
接收较低功率的阴极Cl...以及C(2n_l)与接收较高功率的阴极C2...以及 C(2n)交替地排列。换言之，可以以第一阴极Cl、第二阴极C2...第2n-l阴极C(2n-1)以及第2η阴极C(2n)的顺序布置阴极Cl、C2...以及C(2n)。用于进行溅射处理的处理腔20包括接收不同功率的成对阴极25。成对阴极25包括接收低功率的阴极Cl...以及c(2n-l)，以及接收高功率的阴极C2...以及C(2n)。换言之，可以布置至少一对阴极25。衬底100穿过低功率阴极Cl...以及C(2n_l)和高功率阴极C2...以及C (2η)的下部移动，并且导电层111、112、113和114可以因不同的功率而堆叠在衬底100上。换言之，具有高密度的导电层111和113由于低功率阴极Cl...以及C(2n_l)而被沉积在衬底100上，具有低表面电阻的导电层112和114由于高功率阴极C2...以及C(2n) 而被沉积。例如，可以向低功率阴极Cl...以及C(2n_l)施加IkW至2kW的低功率，并且可以向高功率阴极C2...以及C (2η)施加4kW至IOkW的高功率。当处理腔20的压强保持在约 3mTorr至IOmTorr的范围内时可以进行溅射处理。第一导电层111的平均粒度在约15nm至约20nm的范围内，第二导电层112的平均粒度可以在约25nm至约30nm的范围内。此外，第一导电层111可以具有约30nm至约40nm 的厚度，第二导电层112可以具有约50nm至约60nm的厚度。由低功率形成的第一导电层111具有包括小晶粒的膜的形式，从而使得第一导电层111可以具有高密度。因此可以保证衬底100和第一导电层111之间的粘附强度。由高功率形成的第二导电层112具有包括比第一导电层111的晶粒大的晶粒的膜的形式，由此降低电阻率。因此可以提高后电极层110的电导率。第一阴极Cl和第二阴极C2...以及第2n-l阴极C(2n_l)和第2η阴极C(2n)中的至少一对交替地彼此排列。因此，可以在第二导电层112上顺序地形成第三导电层113 和第四导电层114。由于由第一阴极Cl或第三阴极C3形成的第一导电层111可以填充到由第二阴极 C2形成的第二导电层112的空隙中，因此可以提高后电极层110中的表面电阻和粘附强度。由于低功率阴极Cl…以及C(2n-l)和高功率阴极C2…以及C(2η)形成在一个腔中，因此可以通过一个过程形成后电极层110。因此，当形成后电极层110时可以降低过程的闲置时间，从而可以提高生产率。与图1不同，根据本发明的太阳能电池的制造设备包括接收低功率的第一阴极和接收高功率的第二阴极，并且衬底100可以在第一和第二阴极下方往复运动至少两次。因此，可以在衬底100上形成包括至少四个导电层的后电极层110。在下文中，将参照图1至图3详细描述处理腔的操作。通过装载腔10被引入处理腔20中的衬底100顺序地穿过第一阴极Cl和第二阴极C2。例如，衬底100可以包括玻璃，并且堆叠在衬底100上的后电极层110可以包括 Mo。如果功率被施加到处理腔，反应气体与阴极Cl…以及C(2n)发射的电子碰撞，从而使得反应气体被激发并变为离子。离子被吸引到阴极Cl…以及C(2n)并与用于形成层的靶碰撞。在此情形中，离子粒子具有能量，并且该能量通过碰撞传递给用于形成层的靶。当所传递的能量克服构成靶的元素的键合强度和逸出功时，则释放等离子体，并且金属颗粒的粒子堆叠在衬底100上。在此情形中，与阴极CL···以及C (2η)相应地放置的靶可以包括相同的材料，例如 Mo。换言之，靶包括相同的材料(诸如Mo)来形成导电层111、112、113和114。更详细地， 靶可以包括Mo。基于这种操作，第一导电层111沉积在在第一阴极Cl下方移动的衬底100上。当向靶施加低功率时，第一导电层111可以以小粒度沉积在衬底100上。因此，第一导电层111可以被致密地沉积，并且可以提高粘附特性。接着，第二导电层112沉积在在第二阴极C2下方移动的衬底100上。所述第二导电层112形成在第一导电层111上。当向靶施加高功率时，可以以比第一导电层111大的粒度沉积第二导电层112。因此，第二导电层112可以提高电导率。如上所述，第一导电层111的粒度可以在约15nm到约20nm的范围内，第二导电层 112的粒度可以在约25nm到约30nm的范围内。换言之，由于第一导电层111的粒度小，因此以高密度沉积第一导电层111。第二导电层112具有比第一导电层111大的粒度，因此表现高电导率。此外，类似地，第三导电层113因第三阴极C3而可以形成在第二导电层112上，并且第四导电层114因第四阴极C4而可以形成在第三导电层113上。在此情形中，第三导电层113的粒度在约15nm到约20nm的范围内，第四导电层114的粒度可以在约25nm到约 30nm的范围内。此外，第三导电层113的厚度可以在约30nm到约40nm的范围内，第四导电层114的厚度可以在约50nm到约60nm的范围内。以这种方式，后电极层110可以包括三到十个层。参照图3，光吸收层120形成在后电极层110上。光吸收层120包括基于Ib-IIIb-VIb的化合物，更详细地说，光吸收层120可以包括基于Cu-In-Ga-Se2(CIGS)的化合物或基于 Cu-In-Se2 (CIS)的化合物。例如，通过利用Cu靶、In靶和Ga靶在后电极层110上形成基于CIG的金属前体 (precursor)层，以便形成光吸收层120。在下文中，在硒化过程中金属前体层与Se反应，由此形成基于CIGS的光吸收层 120。此外，可以利用Cu、In、Ga和Se通过共蒸发过程形成光吸收层120。例如，光吸收层120可以形成为约IOOOnm至约2000nm厚。光吸收层120接收外部光线并将外部光线转换为电能。光吸收层120通过光电效应产生光电动势。参照图4，缓冲层130和高电阻缓冲层140形成在光吸收层120上。缓冲层130可以包括形成在光吸收层120上的至少一层。缓冲层130可以通过堆叠硫化镉(CdS)形成。在此情形中，缓冲层130是N型半导体层，光吸收层120是P型半导体层。因此， 光吸收层120和缓冲层130形成PN结。
缓冲层130还可以包括通过采用ZnO靶的溅射过程形成在CdS层上的ZnO层。高电阻缓冲层140可以以透明层的形式设置在缓冲层130上。例如，高电阻缓冲层140可以包括氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)和本征氧化锌 (i-ZnO)中的一种。缓冲层130和高电阻缓冲层140插置在光吸收层120和在下面过程中形成的前电极层之间。换言之，由于光吸收层120和前电极层的晶格常数和能带隙有很大差异，因此能带隙处于光吸收层120和前电极层的能带隙之间的缓冲层130和高电阻缓冲层140被插置在光吸收层120和前电极层之间，由此在光吸收层120和前电极层之间形成优异的结。根据实施例，两个缓冲层130和140形成在光吸收层120上，但是本发明不限于此。在此情形中，可以只形成一个缓冲层。参照图5，透明导电材料沉积在高电阻缓冲层140上，由此形成前电极层150。前电极层150可以包括掺杂有诸如铝(Al)、氧化铝(Al2O3)、镁(Mg)和镓(Ga)等杂质的ZnO或ΙΤ0。例如，可以利用掺杂有Al或Al2O3的ZnO通过溅射过程形成前电极层150，从而可以形成具有低电阻值的电极。换言之，前电极层150是与光吸收层120形成PN结的窗口层。由于前电极层150 在太阳能电池的前表面上用作透明电极，因此前电极层150包括表现高透射率和高电导率的 ZnO。根据本发明，通过在一个处理腔中使用具有不同功率的阴极Cl…以及C(2n)可以提高后电极层110的粘附强度和表面电阻。换言之，由于第一导电层111和第三导电层113 形成为具有高密度，因此可以提高层间粘附强度，并且由于第二导电层112和第四导电层 114具有高电导率，因此，可以改善表面电阻。因此，相邻导电层具有彼此不同的粒度。因此，相邻导电层可以具有不同的特性， 从而构成后电极层110的导电层111、112、113和114互补较差的特性。因此，后电极层110 可以表现改善的特性。例如，第三导电层113通过低功率阴极形成在第二导电层112上，从而使得第三导电层113可以填充在第二导电层112的空隙中。因此，可以提高内部粘附强度。此外，第二导电层112和第四导电层114可以提高后电极层110的电导率。因此，根据本发明的太阳能电池可以表现优异的性能。后电极层110可以通过一个步骤形成在衬底100上，在该步骤中，不同的功率反复施加到第一阴极Cl和第二阴极C2。换言之，可以在一个腔中通过一个溅射步骤形成具有电导率和粘附特性的后电极层110，从而可以改善性能。因此，根据本发明的太阳能电池的制造方法，可以高效地制造具有改善的性能的太阳能电池。尽管已描述了示例性实施例，但是应该理解，本发明不应该限于这些示例性实施例，而是，在如下文所主张的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员可以进行各种变型和改进。表 1
试验性实例权利要求
1.一种太阳能电池，包括 衬底；后电极层，被设置在所述衬底上；光吸收层，被设置在所述后电极上；以及前电极层，被设置在所述光吸收层上，其中，所述后电极层包括第一导电层，被设置在所述衬底上；第二导电层，被设置在所述第一导电层上并且具有与所述第一导电层的粒度不同的粒度；以及第三导电层，被设置在所述第二导电层上并且具有与所述第二导电层的粒度不同的粒度。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述后电极层进一步包括第四导电层，所述第四导电层被设置所述第三导电层上并且具有与所述第三导电层的粒度不同的粒度。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，进一步包括第五导电层，被设置所述第四导电层上并且具有与所述第四导电层的粒度不同的粒度；以及第六导电层，被设置所述第五导电层上并且具有与所述第四导电层的粒度不同的粒度。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层的粒度小于所述第二导电层的粒度，并且其中，所述第二导电层的粒度大于所述第三导电层的粒度。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层的粒度与所述第二导电层的粒度的比率在1 1.25至1 2的范围内。
6.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层的粒度与所述第三导电层的粒度相对应，并且其中，所述第二导电层的粒度与所述第四导电层的粒度相对应。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层和所述第三导电层的粒度为IOnm至15nm，并且其中，所述第二导电层和所述第四导电层的粒度为25nm至30nm。
8.根据权利要求2所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层和所述第三导电层的厚度为20nm至30nm,其中，所述第二导电层和所述第四导电层的厚度为50nm至60nm，并且其中，所述后电极层的厚度为500nm至1500nm。
9.一种太阳能电池，包括 衬底；后电极层，被设置在所述衬底上；光吸收层，被设置在所述后电极上；以及前电极层，被设置在所述光吸收层上，其中，所述后电极层包括至少三个导电层，并且其中，所述导电层中的两个相邻的导电层具有彼此不同的粒度。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中，设置十个或少于十个导电层。
11.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中，相邻的导电层具有彼此不同的电导率。
12.根据权利要求9所述的太阳能电池，其中，所述导电层包括具有第一粒度的多个第一导电层；以及具有与所述第一粒度不同的第二粒度的多个第二导电层，其中，所述第一导电层和所述第二导电层交替堆叠在彼此上。
13.根据权利要求12所述的太阳能电池，其中，所述第一导电层的厚度为约30nm至约 40nm,其中，所述第二导电层的厚度为约50nm至约60nm，以及其中，所述后电极层的厚度为约500nm至约1500nm。
14.一种太阳能电池的制造方法，所述方法包括 在衬底上形成后电极层；在所述后电极层上形成光吸收层；以及在所述光吸收层上形成前电极层， 其中，形成所述后电极层的步骤包括 利用第一功率在所述衬底上形成第一导电层；利用与所述第一功率不同的第二功率在所述第一导电层上形成第二导电层；以及利用与所述第二功率不同的第三功率在所述第二导电层上形成第三导电层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一导电层具有与所述第二导电层的粒度不同的粒度，并且其中，所述第二导电层具有与所述第三导电层的粒度不同的粒度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述后电极层的步骤包括 利用与所述第三功率不同的第四功率在所述第三导电层上形成第四导电层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一功率与所述第三功率相对应，并且所述第二功率与所述第四功率相对应。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一功率和所述第二功率在IkW至2kW的范围内，并且其中，所述第二功率和所述第四功率在4kW至IOkW的范围内。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，用于所述第一导电层至所述第三导电层的靶包括相同的材料。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一导电层至所述第三导电层包含钼。
全文摘要
本发明公开一种太阳能电池以及制造方法。所述太阳能电池包括衬底；后电极层，被设置在所述衬底上；光吸收层，被设置在所述后电极上；以及前电极层，被设置在所述光吸收层上。所述后电极层包括第一导电层，被设置在所述衬底上；第二导电层，被设置在所述第一导电层上并且具有与所述第一导电层的粒度不同的粒度；以及第三导电层，被设置在所述第二导电层上并且具有与所述第二导电层的粒度不同的粒度。
文档编号H01L31/042GK102460717SQ201080026947
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月16日 优先权日2009年6月16日
发明者崔成氾, 池奭宰 申请人:Lg伊诺特有限公司